基于精确时钟协议的网络运动控制系统的研究

摘要

运动控制要求系统实时性高、响应快速（要求毫秒甚至微秒级），而网络的不确定和结点间时钟的不同步等问题，使网络运动控制系统研究成为难点。这要求一方面在运动控制系统中更深层次地渗透通信与网络技术；另一方面是在通信网络的管理与控制中更多地采用各种控制理论和策略。 满足网络运动控制高性能的前提是通信系统必须能够保证其数据传输的实时和同步。 在以往的研究中，大都是采用专用的网络和接口组件，控制系统内的时钟同步以及数据的及时传递。 本文以网络中同步机制研究为出发点，研究了网络运动控制系统的系统结构、系统数学建模、时钟同步机理以及网络延时控制策略。分析了网络技术及运动控制技术的发展趋势和网络运动控制系统的系统结构，在深入研究网络运动控制实时性需求的基础上，针对网络运动控制系统存在的一些问题，给出了基于精确时钟协议的网络运动控制系统的系统结构，并进一步建立了基于时钟同步的网络运动系统数学模型，分析了网络时钟协议的工作机理及控制方法。然后研究了精确时钟协议，进一步分析了不同时钟同步控制方法对系统模型的影响及其优缺点。 深入研究了利用Java实现时钟同步，并在此基础上对网络传输延时进行系统分析，研究了网络延时的补偿控制方法。搭建了网络运动控制系统实验仿真平台，对所建立模型进行了仿真评测。提出了一种使用滑动窗口和时间戳相结合的网络传输延时补偿控制方法。 通过在控制器和执行器分别设置可变滑动窗口，并利用数据报的时间戳信息进行分析处理，实现了对网络时钟同步、传输延时等问题的控制。最后搭建了基于嵌入式的网络运动控制系统实验平台，实现了基于ARM 的嵌入式网络运动智能控制单元，并在网络机器人上进行了实验。